EP2159821A2 - Coating device for coating a substrate and method for same - Google Patents

Abstract

The evaporation device comprises a process chamber for forming and maintaining a gas atmosphere, and/or an anode (6), a cylindrical shaped evaporating cathode arranged as target, an electric energy source (7) for creating an electric voltage between the anode and the cathode, and a magnetic field source (8) for producing magnetic field. The process chamber comprises an inlet (4) and an outlet (5) for the process gas. The electric energy source is arranged so that the target material of the cylindrical shaped cathode is transferable into a steam phase. The evaporation device comprises a process chamber for forming and maintaining a gas atmosphere, and/or an anode (6), a cylindrical shaped evaporating cathode arranged as target, an electric energy source (7) for generating an electric voltage between the anode and the cathode, and a magnetic field source (8) for producing magnetic field. The process chamber comprises an inlet (4) and an outlet (5) for the process gas. The evaporating cathode comprises target materials. The electric energy source is arranged so that the target material of the cylindrical shaped cathode is transferable into a steam phase by the electric energy source. A cylindrical shaped atomization cathode and a cylindrical shaped electric arc cathode are simultaneously arranged around a longitudinal axis in the process chamber. The magnetic field source is equipped in the interior of the atomization cathode and/or the electric arc cathode, and/or the atomization cathode and/or the electric arc cathode are rotatably arranged relative to the magnetic field source, which is a permanent magnet and/or an electro magnet. The position of the magnetic filed source is adjustable in the interior of the atomization cathode and/or the electric arc cathode in related to an axial position and/or a radial position and/or to a circumference direction. Independent claims are included for: (1) an evaporation source; and (2) a method for coating a substrate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdampfungsvorrichtung zur Verdampfung eines Targetmaterials, sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie.The invention relates to an evaporation device for the evaporation of a target material, and to a method for coating a substrate according to the preamble of the independent claim of the respective category.

Zum Aufbringen von Schichten oder Schichtsystemen auf die unterschiedlichsten Substrate sind aus dem Stand der Technik eine ganze Reihe verschiedener chemischer, mechanischer und physikalischer Techniken bekannt, die je nach Anforderung und Einsatzgebiet ihre Berechtigung haben und entsprechende Vor- und Nachteile aufweisen.For applying layers or layer systems to a wide variety of substrates from the prior art, a whole series of different chemical, mechanical and physical techniques are known, which have their legitimacy depending on the requirements and application and have corresponding advantages and disadvantages.

Zum Aufbringen verhältnismässig dünner Schichten sind insbesondere Verfahren geläufig, bei welchen die Oberfläche eines Targets in einem Lichtbogen in die Dampfform überführt wird oder aber aus einer Oberfläche eines Targets Atome mittels ionisierter Teilchen in die Dampfform überführt werden, wobei sich der so gebildete Dampf dann als Beschichtung auf einem Substrat niederschlagen kann.For applying relatively thin layers, in particular methods are known in which the surface of a target is converted into an arc in the vapor form or from a surface of a target atoms are converted by means of ionized particles in the vapor form, wherein the vapor thus formed then as a coating can precipitate on a substrate.

In einer üblichen Ausführungsform der Kathodenzerstäubung wird in einem Sputterprozess das Target an eine negative Gleichstromspannungsquelle oder an eine hochfrequente Stromquelle angeschlossen. Das Substrat ist das zu beschichtende Material und es befindet sich zum Beispiel dem Target gegenüber. Das Substrat kann geerdet, schwimmend, vorgespannt, erhitzt, gekühlt sein oder einer Kombination hiervon unterworfen werden. In die Prozesskammer, die unter anderem die Prozesselektroden und das Substrat enthält, wird ein Prozessgas eingeführt, um eine Gasatmosphäre zu schaffen, in welchem eine Glimmentladung ausgelöst und aufrechterhalten werden kann. Die Gasdrücke reichen je nach Anwendung von wenigen Zehntel eines Pascals) bis zu mehreren Pascals. Ein häufig verwendetes Zerstäubergas ist Argon.In a common embodiment of cathode sputtering, in a sputtering process the target is connected to a negative DC voltage source or connected to a high frequency power source. The substrate is the material to be coated and it faces, for example, the target. The substrate may be grounded, floating, biased, heated, cooled or subjected to a combination thereof. Into the process chamber containing, among other things, the process electrodes and the substrate, a process gas is introduced to create a gaseous atmosphere in which a glow discharge can be triggered and sustained. Depending on the application, the gas pressures range from a few tenths of a pascal to several pascals. A commonly used nebulizer gas is argon.

Wenn die Glimmentladung ausgelöst wird, treffen positive Ionen auf die Oberfläche des Targets und lösen hauptsächlich neutrale Targetatome durch Stoßkraftübertragung heraus, und diese kondensieren auf dem Substrat, um dünne Filme zu bilden. Es gibt zusätzlich noch andere Partikel und Strahlungen, die durch das Target erzeugt werden und alle filmbildende Eigenschaften haben (Sekundärelektronen und Ionen, desorbierte Gase, und Photonen). Die Elektronen und negativen Ionen werden gegen die Substratplattform beschleunigt und bombardieren diese und den wachsenden Film. In einigen Fällen wird ein zum Beispiel negatives Vorspannungspotential an den Substrathalter gelegt, so daß der wachsende Film dem Beschuss mit positiven Ionen ausgesetzt ist. Dieser Prozess ist auch als Vorspannungszerstäubung oder lonenplattierung bekannt.When the glow discharge is triggered, positive ions hit the surface of the target and mainly release neutral target atoms by impact energy, and these condense on the substrate to form thin films. There are also other particles and radiations that are generated by the target and all have film-forming properties (secondary electrons and ions, desorbed gases, and photons). The electrons and negative ions are accelerated against the substrate platform, bombarding them and the growing film. In some cases, for example, a negative bias potential is applied to the substrate holder so that the growing film is exposed to positive ion bombardment. This process is also known as bias sputtering or ion plating.

In bestimmten Fällen werden keine Argon-, sondern andere Gase oder Gasmischungen verwendet. Das schließt gewöhnlich einige Arten von Reaktionszerstäuberprozessen ein, in welchen eine Zusammensetzung durch Aufstäuben eines Metalltargets (z. B.Ti) in einem zumindest zum Teil reaktiven Reaktionsgas synthetisiert wird, um eine Zusammensetzung aus dem Metall und den Reaktionsgasarten (z.B. Titanoxide) zu bilden. Der Zerstäubungsertrag wird definiert als Zahl der aus der Targetoberfläche ausgestoßenen Atome pro einfallendem Ion. Es ist ein wesentlicher Parameter zur Charakterisierung des Zerstäuberprozesses.In certain cases, no argon but other gases or gas mixtures are used. This usually includes some types of reaction atomization processes in which a composition is synthesized by sputtering a metal target (e.g., Ti) in an at least partially reactive reaction gas to form a composition of the metal and reaction gas species (eg, titanium oxides). The sputtering yield is defined as the number from the target surface ejected atoms per incident ion. It is an essential parameter for characterizing the atomizer process.

Schätzungsweise ein Prozent der auf eine Targetoberfläche einfallenden Energie führt gewöhnlich zum Ausstoßen zerstäubter Partikel, 75 % der einfallender Energie führen zur Erwärmung des Target und der Rest wird zum Beispiel durch sekundäre Elektronen zerstreut, die das Substrat bombardieren und erhitzen können. Ein als Magnetron-Zerstäubung bekannter verbesserter Prozeß verwendet magnetische Felder zur Führung der Elektronen weg von der Substratoberfläche, wodurch die Wärmeeinwirkung reduziert wird.It is estimated that one percent of the energy incident on a target surface usually results in the ejection of atomized particles, 75% of the incident energy heats the target, and the remainder is dissipated by, for example, secondary electrons that can bombard and heat the substrate. An improved process known as magnetron sputtering uses magnetic fields to guide the electrons away from the substrate surface, thereby reducing the effect of heat.

Für ein gegebenes Targetmaterial werden die Auftragsrate und die Gleichmäßigkeit unter anderem durch die Systemgeometrie, die Targetspannung, das Zerstäubergas, den Gasdruck und die and die Prozesselektroden angelegte elektrische Leistung beeinflußt.For a given target material, the deposition rate and uniformity are affected inter alia by system geometry, target voltage, nebulizer gas, gas pressure, and electrical power applied to the process electrodes.

Ein verwandtes physikalisches Beschichtungsverfahren ist das bekannte Lichtbogenverdampfung in seinen vielfältigen Ausgestaltungen.A related physical coating process is the well-known arc evaporation in its various designs.

Bei der Lichtbogenverdampfung wird das Target-Material durch die Wirkung von Vakuumlichtbögen verdampft. Das Targetquellenmaterial ist die Kathode in dem Lichtbogenkreis. Die Grundkomponenten eines bekannten Lichtbogenverdampfungssystems bestehen aus einer Vakuumkammer, einer Kathode und einem Lichtbogenstromanschluß, Teilen zum Zünden eines Lichtbogens auf der Kathodenoberfläche, einer Anode, einem Substrat und aus einem Stromanschluß für eine Substratvorspannung. Die Lichtbögen werden durch Spannungen im Bereich von zum Beispiel 15-50 Volt gehalten, abhängig von dem Targetkathodenmaterial, das verwendet wird. Typische Lichtbogenströme liegen im Bereich von 30-400 A. Die Lichtbogenzündung erfolgt durch die übleichen dem Fachmann bekannten Zündverfahren.During arc evaporation, the target material is vaporized by the action of vacuum arcs. The target source material is the cathode in the arc circuit. The basic components of a known arc evaporation system consist of a vacuum chamber, a cathode and an arc current terminal, parts for igniting an arc on the cathode surface, an anode, a substrate, and a substrate bias voltage power terminal. The arcs are held by voltages in the range, for example, 15-50 volts, depending on the target cathode material used. Typical arc currents are in the range of 30-400 A. The arc ignition is carried out by the same known in the art ignition method.

Die Verdampfung des Targetmaterials aus der Kathode, die das Target bildet, ergibt sich als Resultat eines kathodischen Lichtbogenpunktes, der sich im einfachsten Fall regellos auf der Kathodenfläche mit Geschwindigkeiten von üblicherweise 10 m/s bewegt. Die Lichtbogenpunktbewegung kann dabei aber auch mit Hilfe geeigneter Einschlußabgrenzungen und / oder magnetischer Felder gesteuert werden. Das Target-Kathodenmaterial kann zum Beispiel ein Metall oder eine Metalllegierung sein.The evaporation of the target material from the cathode forming the target results as a result of a cathodic arc point occurring in the The simplest case moved randomly on the cathode surface at speeds of typically 10 m / s. However, the arc point movement can also be controlled by means of suitable inclusion boundaries and / or magnetic fields. The target cathode material may be, for example, a metal or a metal alloy.

Der Lichtbogenbeschichtungsprozess ist erheblich verschieden von anderen physikalischen Dampfbeschichtungsprozessen. Der Kern der bekannten Lichtbogenprozesse ist der Lichtbogenpunkt, der ein Materialplasma erzeugt. Ein hoher Prozentsatz, z.B. 30 % - 100 % des von der Kathodenfläche verdampften Materials ist in der Regel ionisiert, wobei die Ionen in verschiedenen Ladungszuständen im Plasma, beispielsweise als Ti+, Ti2+, Ti3+ usw. existieren können. Die kinetische Energie der Ionen kann sich dabei im Bereich von z.B. 10 - 100 e.V bewegen.The arc coating process is significantly different from other physical vapor deposition processes. The core of the known arc processes is the arc point, which generates a material plasma. A high percentage, e.g. 30% -100% of the material vaporized from the cathode surface is usually ionized, whereby the ions can exist in different states of charge in the plasma, for example as Ti +, Ti2 +, Ti3 + and so on. The kinetic energy of the ions may be in the range of e.g. Move 10 - 100 e.V.

Diese Merkmale führen zu Beschichtungen, die von höchster Qualität sein können, und verglichen mit jenen Beschichtungen, die mit von anderen physikalischen Dampfbeschichtungsprozessen aufgetragen werden, bestimmte Vorteile aufweisen können.These features result in coatings that can be of the highest quality and may have certain advantages over those coatings applied with other physical vapor deposition processes.

Die mittels Lichtbogenverdampfung aufgetragene Schichten zeigen meist über einen breiten Bereich der Beschichtungsbedingungen eine hohe Qualität. So lassen sich z. B. stöchiometrische Verbundfilme mit höchster Adhäsion und hoher Dichte herstellen, die über einen weiten Bereich des Reaktionsgasdruckes hohe Beschichtungsbeträge für Metalle, Legierungen und Zusammensetzungen mit exzellenter Beschichtungsgleichmäßigkeit liefern. Neben anderen ist ein weiterer Vorteil auch die verhältnismässig niedrigen Substrattemperaturen und die relativ einfache Herstellung von Verbundfilmen.The applied by arc evaporation layers usually show a high quality over a wide range of coating conditions. So can be z. B. Stochiometric composite films with highest adhesion and high density produce over a wide range of reaction gas pressure high coating amounts for metals, alloys and compositions with excellent coating uniformity. Among others, another advantage is the relatively low substrate temperatures and the relatively easy production of composite films.

Der kathodische Lichtbogen führt zu einer Plasmaentladung innerhalb des von der Kathodenfläche freigesetzten Materialdampfes. Der Lichtbogenpunkt ist normalerweise einige Mikrometer groß und hat Stromdichten von 10 Ampere pro Quadratmikrometer. Diese hohe Stromdichte verursacht eine blitzartige Verdampfung des Ausgangsmaterials, und der erzeugte Dampf besteht aus Elektronen, Ionen, neutralen Dampfatomen und Mikrotröpfchen. Die Elektronen werden gegen die Wolken positiver Ionen beschleunigt. Die Emissionen des Kathodenlichtpunkts sind über einen breiten Bereich des Lichtbogenstromes relativ konstant, wenn der Kathodenpunkt in mehrere Punkte aufgeteilt wird. Der Durchschnittsstrom pro Punkt hängt von der Natur des Kathodenmaterials ab.The cathodic arc leads to a plasma discharge within the material vapor released from the cathode surface. The arc point is usually a few microns in size and has current densities of 10 amps per square micrometer. This high current density causes flash-like evaporation of the starting material and the generated vapor consists of electrons, ions, neutral vapor atoms and microdroplets. The electrons are accelerated against the clouds of positive ions. The emissions of the cathode spot are relatively constant over a wide range of arc current as the cathode dot is split into multiple points. The average current per point depends on the nature of the cathode material.

Oft sind fast 100 % des Materials innerhalb der Kathodenpunktregion ionisiert. Diese Ionen werden in eine Richtung fast senkrecht zur Kathodenfläche herausgeschleudert. Darüber hinaus entstehen in der Regel Mikrotröpfchen die gezwungen sind, die Kathodenfläche unter Winkeln von zum Beispiel bis zu 30 % oberhalb der Kathodenebene zu verlassen. Diese Mikrotröpfchenemissionen sind eine Folge extremer Temperaturen und Kräfte, die innerhalb des Emissionskraters vorhanden sind.Often, nearly 100% of the material within the cathode dot region is ionized. These ions are ejected in one direction almost perpendicular to the cathode surface. Moreover, as a rule, microdroplets are forced to leave the cathode surface at angles of, for example, up to 30% above the cathode plane. These microdroplet emissions are a result of extreme temperatures and forces present within the emission crater.

Daher wird die kathodische Lichtbogenplasmabeschichtung auch heute noch oft als ungeeignet für dekorative Verwendungen angesehen, und zwar wegen der Mikrotröpfchen in dem Film.Therefore, cathodic arc plasma coating is still often considered unsuitable for decorative uses because of the microdroplets in the film.

Die letzten Entwicklungen, welche die Eliminierung von Mikrotröpfchen im Lichtbogenbeschichtungsprozess einschließen haben eine bedeutende Alternative zu existierenden Techniken für einen breiten Bereich auch, aber nicht nur für dekorative Anwendungen geschaffen.The recent developments involving the elimination of microdroplets in the arc coating process have created a significant alternative to existing techniques for a wide range also, but not only for decorative applications.

Dabei zeichnen sich die bekannten Lichtbogenprozesse auch durch eine hohe Flexibilität aus. So ist beispielweise Die Steuerung der Beschichtungsparameter weniger kritisch als bei Magnetronzerstäubungs- oder Ionenplattierungsprozessen.The known arc processes are also characterized by a high degree of flexibility. For example, controlling the coating parameters is less critical than with magnetron sputtering or ion plating processes.

Die Beschichtungstemperatur für Verbundfilme kann auf deutlich tiefere Temperaturen eingestellt werden, so dass die Möglichkeit gegeben ist, Substrate zu ummanteln, wie zum Beispiel Zinkguss, Messing und Kunststoffe, ohne das Substrat zu schmelzen.The coating temperature for composite films can be set to significantly lower temperatures, so that the possibility exists Encapsulate substrates such as cast zinc, brass and plastics without melting the substrate.

Zusammenfassend bieten die bekannten Lichtbogen Beschichtungsprozesse unter bestimmten Umständen eine Reihe von Vorteile gegenüber den oben erwähnten Zerstäubungsprozesssen mittels Sputtern.In summary, under certain circumstances, the known arc coating processes offer a number of advantages over the sputtering sputtering processes mentioned above.

Dennoch werden zahlreiche Beschichtungen, vor allem aber nicht nur für dekorative Anwendungen bzw. Anwendungen in der Mikroelektronik, der Optik oder anderen Anwendungen, die einen dünnen Film erfordern, bevorzugt mit einem Zerstäubungsprozess ausgeführt. Für das Sputtern bevorzugte Materialien sind z.B. Sulfide (z.B. MoS₂) oder auch spröde Materialien (z.B. TiB₂). Letztlich im Grunde alle Materialien die beschränkt arc-fähig sind.Nevertheless, many coatings, but especially not only for decorative applications or applications in microelectronics, optics or other applications requiring a thin film, are preferably performed with a sputtering process. For sputtering preferred materials are, for example, sulfides (eg MoS ₂ ) or brittle materials (eg TiB ₂ ). Ultimately, basically all materials that are arc limited.

Das hängt unter anderem von den Problemen ab, die erwähnten Mikrotröpfchen zu eliminieren. Deshalb ist die Zerstäubung heutzutage immer noch das bevorzugte Verfahren um beispielweise einen dünnen Goldmantel für dekorative Zwecke, oder dünne Schichten in der Elektronik oder Optik aufzutragen. Of haben die durch die Zerstäubungsprozesse aufgetragen Schichten aber andere unerwünschte Eigenschaften, zum Beispiel in Bezug auf Alterung, Härte, Haftfestigkeit oder sie haben Defizite in Bezug auf die Resistenz gegen verschiedene Einflüsse von aussen und können so beeinträchtigt oder gar abgetragen werden.This depends, among other things, on the problems of eliminating the mentioned microdroplets. Therefore, sputtering is still the preferred method today, for example, to apply a thin gold coating for decorative purposes, or thin layers in electronics or optics. Of course, the layers applied by the sputtering processes have other undesirable properties, for example with regard to aging, hardness, adhesive strength or they have deficits with respect to the resistance to various external influences and can thus be impaired or even eroded.

Deshalb kann es je nach Anforderung vorteilhaft sein, eine Kombination von Schichten auf einem Substrat bereitzustellen, wobei eine der Schichten z.B. eine durch Sputtern aufgebrachte Schicht ist und eine andere Schicht eine durch ein Lichtbogenverfahren aufgebrachte Schicht ist.Therefore, depending on the requirement, it may be advantageous to provide a combination of layers on a substrate, one of the layers being e.g. a sputtered layer is and another layer is an arc applied layer.

Zur Herstellung dekorativer Goldbeschichtungen ist in der WO 90/02216 eine Beschichtungsanlage angegeben, die gleichzeitig eine konventionelle rechteckige Sputterquelle und eine rechteckige kathodische Lichtbogenverdampfungsquelle umfasst. Gemäss dem in dieser Schrift ebenfalls angegebenen Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt in einem kathodischen Lichtbogenverfahren eine Schicht aus TiN aufgetragen, wobei in einem nachfolgenden Schritt mittels eines Sputterverfahrens eine Gold Schicht aufgesputtert wird, so dass das Schichtsystem insgesamt ein im wesentlichen gleiches Aussehen wie ein einfache Beschichtung aus Gold alleine vermittelt.For the production of decorative gold coatings is in the WO 90/02216 discloses a coating apparatus which simultaneously comprises a conventional rectangular sputtering source and a rectangular cathodic arc evaporation source. According to the text in this document In the same way, in a first method step, a layer of TiN is applied in a cathodic arc process, wherein a gold layer is sputtered in a subsequent step by means of a sputtering process, so that the layer system as a whole imparts a substantially identical appearance to a simple coating of gold alone ,

Ein Nachteil der Beschichtungsanlage und des Verfahrens gemäss WO 90/02216 besteht unter anderem darin, dass insbesondere eine gleichbleibende Qualität der Beschichtungen nicht gewährleistet ist. So ändert sich mit zunehmendem Verbrauch der Kathoden die Qualität der aufgebrachten Schichten, wenn nicht die Verfahrensparameter aufwendig nachgeführt werden. Das liegt unter bekanntermassen anderem daran, dass sich die rechteckigen Kathoden ungleichmässig verbrauchen, so dass bei gleichen Verfahrensparametern mit zunehmender Erosion der Kathoden die Qualität des Beschichtungsdampfes zunehmend schlechter wird, weil sich z.B. in zunehmendem Masse störende Tröpfchen beim Lichtbogenverdampfen bilden, was sich negativ auf die Schichten auswirkt. Um diese negativen Effekte in Grenzen zu halten, müssen die Kathoden frühzeitig ausgetauscht werden, was entsprechend teuer und aufwändig ist.A disadvantage of the coating system and the method according to WO 90/02216 consists, inter alia, that in particular a consistent quality of the coatings is not guaranteed. Thus, with increasing consumption of the cathodes, the quality of the applied layers changes unless the process parameters are complicatedly tracked. This is among others known that the rectangular cathodes consume uneven, so that with the same process parameters with increasing erosion of the cathode, the quality of the coating vapor is increasingly bad, because, for example, increasingly disturbing droplets form during arc evaporation, which has a negative impact on the Affects layers. In order to limit these negative effects, the cathodes must be replaced early, which is correspondingly expensive and expensive.

Ein weiterer Nachteil neben der ungleichmässigen Erosion der Kathoden ist, dass eine Steuerung des Lichtbogens auf der Kathode, sofern überhaupt möglich, sehr schwierig und aufwendig ist.Another disadvantage besides the uneven erosion of the cathodes is that controlling the arc on the cathode, if at all possible, is very difficult and expensive.

Auch müssen zwingend eine Kathode zum Zerstäuben und eine zweite separate Kathode zum Lichtbogenverdampfen vorgesehen werden, weil selbst dann, wenn eine runde oder rechteckige Kombinationskathode verwendet wird, die zum Beispiel in zwei verschiedenen Bereichen mit verschiedenen Materialien versehen ist, nicht ein und dieselbe Kathode zum Sputtern und Lichtbogenbeschichten verwendet werden kann.Also, it is compulsory to provide a sputtering cathode and a second separate cathode for arc evaporation, because even if a round or rectangular combination cathode is used, for example, provided with different materials in two different areas, one and the same sputtering cathode will not be and arc coating can be used.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Beschichtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Beschichten vorzuschlagen mit welchem ein Substrat in ein und derselben Beschichtungskammer weitgehend defektfrei sowohl durch Lichtbogenverdampfung als auch mittels eines Sputterverfahrens beschichtet werden können, insbesondere, aber nicht zwingend auch mit verschiedenen Materialien, so dass insbesondere Kombinationsschichtsysteme, die allerhöchsten Qualitätsanforderungen genügen, einfach und kostengünstig herstellbar sind.The object of the invention is therefore to propose an improved coating apparatus and a method for coating with which a substrate can be coated substantially defect-free both by arc vaporization and by means of a sputtering process in one and the same coating chamber, in particular, but not necessarily also with different materials that in particular combination layer systems that meet the highest quality requirements, are easy and inexpensive to produce.

Die diese Aufgaben in apparativer und verfahrenstechnischer Hinsicht lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs der jeweiligen Kategorie gekennzeichnet.The objects of the invention which solve these objects in terms of apparatus and method are characterized by the features of the independent claim of the respective category.

Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims relate to particularly advantageous embodiments of the invention.

Die Erfindung betrifft somit eine Verdampfungsvorrichtung zur Verdampfung eines Targetmaterials. Die Verdampfungsvorrichtung umfasst eine Prozesskammer zur Errichtung und Aufrechterhaltung einer Gasatmosphäre, die einen Einlass und einen Auslass für ein Prozessgas aufweist, sowie eine Anode und eine als Target ausgestaltete zylinderförmige Verdampfungskathode, welche zylinderförmige Verdampfungskathode das Targetmaterial umfasst. Weiter ist eine elektrische Energiequelle zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen, so dass mittels der elektrischen Energiequelle das Targetmaterial der zylinderförmigen Kathode in eine Dampfphase überführbar ist, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetfeldquelle vorgesehen ist. Erfindungsgemäss ist in der Prozesskammer gleichzeitig eine zylinderförmige Zerstäubungskathode und eine zylinderförmige Lichtbogenkathode vorgesehen.The invention thus relates to an evaporation device for the evaporation of a target material. The evaporation apparatus comprises a process chamber for establishing and maintaining a gas atmosphere having an inlet and an outlet for a process gas, and an anode and a cylindrical evaporation cathode configured as a target, which cylindrical evaporation cathode comprises the target material. Furthermore, an electrical energy source for generating an electrical voltage between the anode and the cathode is provided so that the target material of the cylindrical cathode can be converted into a vapor phase by means of the electrical energy source, a magnetic field source generating a magnetic field being provided. According to the invention, a cylindrical sputtering cathode and a cylindrical arcing cathode are simultaneously provided in the process chamber.

Durch die Erfindung ist es somit möglich, eine Kombination von Schichten auf einem Substrat bereitzustellen, wobei eine der Schichten z.B. eine durch Sputtern aufgebrachte Schicht ist und eine andere Schicht eine durch ein Lichtbogenverfahren aufgebrachte Schicht ist.By the invention it is thus possible to provide a combination of layers on a substrate, wherein one of the layers, for example a through Sputtered layer is and another layer is a layer applied by an arc process.

Dabei werden durch die Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, wie sie zum Beispiel bei der Beschichtungsanlage und dem Verfahren gemäss WO 90/02216 bestehen, vermieden. Durch die vorliegende Erfindung ist es erstmals möglich, insbesondere eine gleichbleibende Qualität der Beschichtungen zu gewährleisten. So ändert sich mit zunehmendem Verbrauch der Kathoden die Qualität der aufgebrachten Schichten nicht, und die Verfahrensparameter müssen nicht aufwendig nachgeführt werden. Das liegt unter anderem daran, dass sich die erfindungsgemässen Kathoden gleichmässig verbrauchen, so dass bei gleichen Verfahrensparametern mit zunehmender Erosion der Kathoden die Qualität des Beschichtungsdampfes gleich bleibt und nicht deshalb schlechter wird, weil sich z.B. in zunehmendem Masse störende Tröpfchen beim Lichtbogenverdampfen bilden, was sich negativ auf die Schichten auswirkt. Da bei der vorliegenden Erfindung diese negativen Effekte praktisch nicht mehr auftreten, müssen die Kathoden nicht wie im Stand der Technik frühzeitig ausgetauscht werden, was zu entsprechenden bedeutenden Kosteneinsparungen führt.In this case, the known from the prior art disadvantages, as described for example in the coating system and the method according to the invention WO 90/02216 exist, avoided. The present invention makes it possible for the first time, in particular, to ensure a consistent quality of the coatings. Thus, with increasing consumption of the cathodes, the quality of the applied layers does not change, and the process parameters do not have to be tracked with difficulty. This is partly because the cathode according to the invention consume evenly, so that with the same process parameters with increasing erosion of the cathode, the quality of the coating vapor remains the same and does not deteriorate because, for example, increasingly disturbing droplets form during arc evaporation, which is has a negative effect on the layers. In the present invention, since these negative effects are practically eliminated, the cathodes do not need to be replaced early as in the prior art, resulting in corresponding significant cost savings.

Auch ist die Steuerung des Lichtbogens auf der Kathode aufgrund der zylindrischen Form der Kathoden und der Flexibilität der Anordnung der Magnetfeldquellen besonders einfach und flexibel.Also, the control of the arc on the cathode is particularly simple and flexible due to the cylindrical shape of the cathodes and the flexibility of the arrangement of the magnetic field sources.

Auch muss nicht mehr zwingend eine Kathode zum Zerstäuben und eine zweite separate Kathode zum Lichtbogenverdampfen vorgesehen werden, weil bei geeigneter Ausgestaltung der Verdampfungskathode, ein und dieselbe Verdampfungskathode zum Sputtern und zum Lichtbogenbeschichten verwendet werden kann.Also, it is no longer necessary to provide a cathode for sputtering and a second separate cathode for arc evaporation because, with a suitable configuration of the evaporation cathode, one and the same evaporation cathode can be used for sputtering and for arc coating.

Somit wird durch die Erfindung eine verbesserte Beschichtungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Beschichten vorzuschlagen mit welchem ein Substrat in ein und derselben Beschichtungskammer weitgehend defektfrei sowohl durch Lichtbogenverdampfung als auch mittels eines Sputterverfahrens beschichtet werden kann, insbesondere, aber nicht zwingend auch mit verschiedenen Materialien, so dass insbesondere Kombinationsschichtsysteme, die allerhöchsten Qualitätsanforderungen genügen, einfach und kostengünstig herstellbar sind.Thus, the invention proposes an improved coating apparatus and an improved method for coating with which a substrate in the same coating chamber can be coated substantially defect-free both by arc evaporation and by a sputtering process, in particular, but not necessarily with different materials, so that in particular combination layer systems that meet the highest quality requirements, are easy and inexpensive to produce.

Dabei ist die erfindungsgemässe Beschichtungsvorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren sehr universell und flexibel einsetzbar. So können so verschiedene Objekte wie zum Beispiel Werkzeuge, hoch belastete Maschinenteile, dekorative Oberflächen unter anderem beschichtet werden. Aber auch im Bereich der Optik, der Mikromechanik, der Mikroelektronik, z.B. in der Medizintechnik und / oder zur Beschichtung von Elementen der Nanosensorik oder für Nanomotoren kann die Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden.In this case, the coating device according to the invention and the method according to the invention can be used very universally and flexibly. In this way, different objects such as tools, highly stressed machine parts and decorative surfaces can be coated. But also in the field of optics, micromechanics, microelectronics, e.g. In medical technology and / or for coating elements of nanosensors or nanomotors, the invention can be used particularly advantageously.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist die zylinderförmige Zerstäubungskathode und / oder die zylinderförmige Lichtbogenkathode um eine Längsachse drehbar ausgestaltet.In a specific embodiment, the cylindrical sputtering cathode and / or the cylindrical arc cathode is designed to be rotatable about a longitudinal axis.

Dabei ist die Magnetfeldquelle bevorzugt in einem Inneren der zylinderförmigen Zerstäubungskathode und / oder in einem Inneren der zylinderförmigen Lichtbogenkathode vorgesehen, und / oder die zylinderförmige Zerstäubungskathode und / oder die zylinderförmige Lichtbogenkathode ist relativ zur Magnetfeldquelle drehbar angeordnet.In this case, the magnetic field source is preferably provided in an interior of the cylindrical sputtering cathode and / or in an interior of the cylindrical arc cathode, and / or the cylindrical sputtering cathode and / or the cylindrical arc cathode is rotatably arranged relative to the magnetic field source.

Die Magnetfeldquelle ist vorteilhaft ein Permanentmagnet und / oder ein Elektromagnet, wobei eine Position der Magnetfeldquelle im Inneren der zylinderförmigen Zerstäubungskathode und / oder im Inneren der zylinderförmigen Lichtbogenkathode, insbesondere in Bezug auf eine axiale Position und / oder eine radiale Position und / oder in Bezug auf eine Umfangsrichtung einstellbar ist.The magnetic field source is advantageously a permanent magnet and / or an electromagnet, wherein a position of the magnetic field source in the interior of the cylindrical sputtering cathode and / or in the interior of the cylindrical arc cathode, in particular with respect to an axial Position and / or a radial position and / or in relation to a circumferential direction is adjustable.

Es versteht sich, dass im Speziellen eine Stärke des Magnetfeldes der Magnetfeldquelle steuerbar und / oder regelbar ist, wobei die Magnetfeldquelle bevorzugt derart vorgesehen und angeordnet ist, dass in einem vorgebbaren Bereich der zylinderförmigen Verdampfungskathode eine Magnetfeldstärke des Magnetfeldes veränderbar ist,It is understood that in particular a strength of the magnetic field of the magnetic field source can be controlled and / or regulated, wherein the magnetic field source is preferably provided and arranged such that a magnetic field strength of the magnetic field is variable in a predeterminable region of the cylindrical evaporation cathode.

Als Zerstäubungskathode kommt zum Beispiel ein balanciertes Magnetron und / oder ein unbalanciertes Magnetron in Frage.The sputtering cathode can be, for example, a balanced magnetron and / or an unbalanced magnetron.

Vorteilhaft kann dabei ein und dieselbe Verdampfungskathode derart ausgestaltet und in der Prozesskammer angeordnet sein, dass die Verdampfungskathode sowohl als Zerstäubungskathode, als auch als Lichtbogenkathode verwendbar ist.Advantageously, one and the same evaporation cathode can be designed and arranged in the process chamber such that the evaporation cathode can be used both as a sputtering cathode and as an arc cathode.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats in einer Prozesskammer, in welcher Prozesskammer eine Gasatmosphäre errichtet und aufrechterhalten wird. In der Prozesskammer wird eine Anode und eine als Target ausgestaltete zylinderförmige Verdampfungskathode bereitgestellt, welche zylinderförmige Verdampfungskathode das Targetmaterial umfasst. Mittels einer elektrischen Energiequelle wird das Targetmaterial der zylinderförmigen Kathode in eine Dampfphase überführt, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetfeldquelle derart in der Prozesskammer vorgesehen wird, dass in einem vorgegebenen Bereich der zylinderförmigen Verdampfungskathode eine Magnetfeldstärke des Magnetfeldes verändert werden kann. Erfindungsgemäss wird in der Prozesskammer gleichzeitig eine zylinderförmige Zerstäubungskathode und eine zylinderförmige Lichtbogenkathode vorgesehen, und das Substrat wird mit einem Lichtbogenverdampfungsverfahren und / oder einem Kathodenzerstäubungsverfahren beschichtet.The invention further relates to a method for coating a substrate in a process chamber, in which process chamber a gas atmosphere is established and maintained. In the process chamber, an anode and a cylindrical evaporation cathode configured as a target are provided, which cylindrical evaporation cathode comprises the target material. By means of an electrical energy source, the target material of the cylindrical cathode is converted into a vapor phase, wherein a magnetic field generating magnetic field source is provided in the process chamber, that in a predetermined region of the cylindrical evaporation cathode, a magnetic field strength of the magnetic field can be changed. According to the invention, a cylindrical sputtering cathode and a cylindrical arc cathode are simultaneously provided in the process chamber, and the substrate is coated by an arc evaporation method and / or a sputtering method.

Bevorzugt wird die zylinderförmige Verdampfungskathode zur gleichmässigen Ausnutzung des Targetmaterials während eines Beschichtungsvorgangs um eine Längsachse rotiert.Preferably, the cylindrical evaporation cathode is rotated about a longitudinal axis during a coating operation for uniform utilization of the target material.

Dabei kann in einem speziellen Ausführungsbeispiel eine Position der Magnetfeldquelle in einem Inneren der zylinderförmigen Zerstäubungskathode und / oder in einem Inneren der zylinderförmigen Lichtbogenkathode, insbesondere in Bezug auf eine axiale Position und / oder eine radiale Position und / oder in Bezug auf eine Umfangsrichtung eingestellt werden, wobei bevorzugt eine Stärke des Magnetfeldes der Magnetfeldquelle gesteuert und / oder geregelt wird.In this case, in a specific exemplary embodiment, a position of the magnetic field source can be set in an interior of the cylindrical sputtering cathode and / or in an interior of the cylindrical arcing cathode, in particular with respect to an axial position and / or a radial position and / or with respect to a circumferential direction. wherein preferably a strength of the magnetic field of the magnetic field source is controlled and / or regulated.

Im speziellen kann ein und dieselbe Verdampfungskathode als Zerstäubungskathode und als Lichtbogenkathode verwendet werden.In particular, one and the same evaporation cathode can be used as a sputtering cathode and as an arc cathode.

Vorteilhaft kann als Zerstäubungskathode ein balanciertes Magnetron und / oder ein unbalanciertes Magnetron verwendet werden.Advantageously, a balanced magnetron and / or an unbalanced magnetron can be used as the sputtering cathode.

Das Beschichtungsverfahren kann dabei ein DC-Sputterverfahren und / oder ein RF-Sputterverfahren und / oder ein gepulstes Sputterverfahren und / oder ein High-Power-Sputterverfahren und / oder ein DC-Lichtbogenverdampfungsverfahren und / oder ein gepulstes Lichtbogenverdampfungsverfahren und / oder ein anderes mir der erfindungsgemässen Verdampfungsvorrichtung durchführbares Beschichtungsverfahren sein.The coating method can be a DC sputtering method and / or an RF sputtering method and / or a pulsed sputtering method and / or a high-power sputtering method and / or a DC arc evaporation method and / or a pulsed arc evaporation method and / or another me be coating method according to the invention can be carried out.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein einfaches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Verdampfungsvorrichtung;

Fig. 2

ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verdampfungskathode mit Permanentmagnetfeldquelle;

Fig. 3

ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2;

Fig. 4

eine Magnetfeldquelle mit zentraler Spulenwicklung;

Fig. 5

eine Magnetfeldquelle mit zwei getrennten Spulenwicklungen;

The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:

Fig. 1

a simple embodiment of an inventive evaporation device;

Fig. 2

a first embodiment of an evaporation cathode with permanent magnetic field source;

Fig. 3

a second embodiment according to Fig. 2 ;

Fig. 4

a magnetic field source with central coil winding;

Fig. 5

a magnetic field source having two separate coil windings;

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein einfaches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Verdampfungsvorrichtung 1 zur Verdampfung eines Targetmaterials 200, 201, 202. Die Verdampfungsvorrichtung 1 umfasst eine Prozesskammer 3 zur Errichtung und Aufrechterhaltung einer Gasatmosphäre, die einen Einlass 4 und einen Auslass 5 für ein Prozessgas aufweist. In der Prozesskammer 3 ist eine Anode 6, 61 für die zylinderförmige Zerstäubungskathode 2, 21 vorgesehen, wobei im vorliegenden Beispiel der Fig. 1 die der Zerstäubungskathode 21 zugeordnete Anode 61 durch die Kammerwand der Prozesskammer 3 gebildet ist. Die Anode 61 und die Zerstäubungskathode 21 sind mit einer elektrischen Energiequelle 7, 71 zur Versorgung mit elektrischer Energie verbunden. Fig. 1 shows a schematic representation of a simple embodiment of an inventive evaporation device 1 for the evaporation of a target material 200, 201, 202. The evaporation device 1 comprises a process chamber 3 for establishing and maintaining a gas atmosphere having an inlet 4 and an outlet 5 for a process gas. In the process chamber 3, an anode 6, 61 is provided for the cylindrical sputtering cathode 2, 21, wherein in the present example the Fig. 1 the sputtering cathode 21 associated anode 61 is formed by the chamber wall of the process chamber 3. The anode 61 and the sputtering cathode 21 are connected to an electrical energy source 7, 71 for supplying electrical energy.

Beide zylindrischen Verdampfungskathoden 2, 21, 22 umfassen je eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetfeldquelle 8, 81, 82 die derart vorgesehen sind, dass in einem vorgebbaren Bereich der zylinderförmigen Verdampfungskathode 2, 21, 22 eine Magnetfeldstärke des Magnetfeldes veränderbar ist. Das wird im vorliegenden Beispiel der Fig. 1 dadurch erreicht, dass die Magnetfeldquellen 8, 81, 82 im Inneren der zylindrischen Verdampfungskathoden 2, 21, 22 vorgesehen sind und in Bezug auf eine Rotation der Verdampfungskathoden 2, 21, 22, die im Betriebszustand um die Längsachse A gedreht werden, in Umfangsrichtung ortsfest sind, jedoch in Längsrichtung entlang der Längsachse A verschiebbar sind, so dass die Magnetfeldquellen 8, 81, 82 je nach Bedarf aus der zylindrischen Zerstäubungskathode 21 und / oder aus der zylindrischen Beschichtungskathode entfernt werden können.Both cylindrical evaporation cathodes 2, 21, 22 each comprise a magnetic field source 8, 81, 82 which generates a magnetic field and is provided in such a way that a magnetic field strength of the magnetic field can be varied in a prescribable region of the cylindrical evaporation cathode 2, 21, 22. This is in the present example the Fig. 1 achieved in that the magnetic field sources 8, 81, 82 are provided in the interior of the cylindrical evaporation cathodes 2, 21, 22 and in relation to a rotation of the evaporation cathodes 2, 21, 22, which are rotated in the operating state about the longitudinal axis A, fixed in the circumferential direction are, however, in Can be displaced longitudinally along the longitudinal axis A, so that the magnetic field sources 8, 81, 82 can be removed as required from the cylindrical sputtering cathode 21 and / or from the cylindrical coating cathode.

In einem anderen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass die Magnetfeldquellen 8, 81, 82 in an sich bekannter Weise als sogenannte "virtuelle Shutter" fungieren, indem durch Verdrehen der Magnetfeldquelle 8, 81, 82 in Umfangsrichtung um die Zylinderachse A das Magnetfeld an der Oberfläche der zylindrischen Verdampfungsquelle 2, 21, 22 im wesentlichen z.B. in Richtung zur Kammerwand verdreht, so dass verdampftes Targetmaterial 200, 201, 202 die Oberfläche des Substrates nicht mehr erreicht.In another embodiment, it is also possible that the magnetic field sources 8, 81, 82 act in a conventional manner as so-called "virtual shutter" by turning the magnetic field source 8, 81, 82 in the circumferential direction about the cylinder axis A, the magnetic field at the Surface of the cylindrical evaporation source 2, 21, 22 substantially eg twisted toward the chamber wall, so that vaporized target material 200, 201, 202 no longer reaches the surface of the substrate.

Es versteht sich, dass in einem anderen Ausführungsbeispiel die Stärke des Magnetfeldes an der Verdampfungskathode 2, 21, 22 auch dadurch beeinflusst werden kann, dass zum Beispiel anstatt von Permanentmagneten 8, 81, 82 in der Verdampfungskathode 2, 21, 22 Elektromagnete 8, 81, 82 vorteilhaft vorgesehen werden können, deren Stärke und Richtung durch geeignete Einstellung eines elektrischen Stromes durch die Spulen der Elektromagnete 8, 81, 82 eingestellt werden kann.It is understood that in another embodiment, the strength of the magnetic field at the evaporation cathode 2, 21, 22 can also be influenced by, for example, instead of permanent magnets 8, 81, 82 in the evaporation cathode 2, 21, 22 electromagnets 8, 81 , 82 can be advantageously provided, the strength and direction by suitable adjustment of an electric current through the coils of the electromagnets 8, 81, 82 can be adjusted.

Oder die Magnetfeldquelle 8, 81, 82 kann, wie erwähnt, auch selbst um die Längsachse A der Verdampfungskathode 2, 21, 22 drehbar sein, so dass zum Beispiel durch geeignete Rotation der Magnetfeldquelle 8, 81, 82 eine vom Magnetfeld beaufschlagte Fläche in einem ersten Betriebszustand in Richtung zum Substratteller ST gerichtet ist, auf welchem bevorzugt eine Vielzahl von zu beschichtenden Substraten S angeordnet sind, so dass diese in optimaler Weise durch das von der Verdampfungskathode 2, 21, 22 verdampfte Targetmaterial 200, 201, 202 beschichtet werden. Wobei in einem zweiten Betriebszustand die Magnetfeldquelle 8, 81, 82 im Inneren der Verdampfungskathode 2, 21, 22 derart um die Längsachse A gedreht wird, dass die vom Magnetfeld beaufschlagte Fläche der Verdampfungskathode 2, 21, 22 zum Beispiel auf die Kammerwand der Prozesskammer 3 gerichtet ist, so dass sich das verdampfte Targetmaterial 200, 201, 202 im wesentlichen auf der Kammerwand der Prozesskammer 3 abscheidet und so das Substart S im wesentlichen nicht mehr von der entsprechenden Verdampfungsquelle 2, 21, 22 beschichtet wird.Or the magnetic field source 8, 81, 82 can, as mentioned, also be rotatable about the longitudinal axis A of the evaporation cathode 2, 21, 22, so that, for example, by suitable rotation of the magnetic field source 8, 81, 82 an area acted upon by the magnetic field in a first operating state in the direction of the substrate plate ST is directed, on which preferably a plurality of substrates to be coated S are arranged so that they are coated in an optimal manner by the vaporized from the evaporation cathode 2, 21, 22 target material 200, 201, 202. Wherein in a second operating state, the magnetic field source 8, 81, 82 is rotated in the interior of the evaporation cathode 2, 21, 22 about the longitudinal axis A, in that the surface of the evaporation cathode 2, 21, 22 acted upon by the magnetic field is directed, for example, onto the chamber wall of the process chamber 3, so that the evaporated target material 200, 201, 202 deposits essentially on the chamber wall of the process chamber 3 and thus the substrate S im essentially no longer from the corresponding evaporation source 2, 21, 22 is coated.

Es versteht sich, dass sich die zuvor beschrieben Massnahmen zur Beeinflussung und Veränderung des Magnetfeldes an der Oberfläche der Verdampferkathode 2, 21, 22 auch in geeigneter Weise vorteilhaft kombinieren lassen.It is understood that the measures described above for influencing and changing the magnetic field on the surface of the evaporator cathode 2, 21, 22 can also be advantageously combined in a suitable manner.

Fig. 2 zeigt etwas detaillierter ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verdampfungskathode 2, 21, 22 mit Permanentmagnetfeldquelle 8, 81, 82. Die Verdampfungskathode 2, 21 ,22 der Fig. 2, die zum Beispiel eine Zerstäubungskathode 21 oder eine Lichtbogenkathode 22 sein kann, trägt auf einer äusseren Zylinderoberfläche 210 das Targetmaterial 200, 201, 202 mit dem ein Substart S beschichtet werden soll. So kann z.B. in ein und derselben Prozesskammer 3 die Zerstäubungskathode21 mit einem anderen Targetmaterial 200, 201 ausgestattet sein, als die Lichtbogenkathode 22, die ein anderes Targetmaterial 200, 202 umfasst, so dass insbesondere komplizierte Kombinationsschichtsysteme herstellbar sind. Selbstverständlich können die Zerstäubungskathode 21 und die Lichtbogenkathode 22 auch mit dem gleichen Targetmaterial 200, 201, 202 ausgestattet sein. Fig. 2 shows in more detail a first embodiment of an evaporation cathode 2, 21, 22 with permanent magnetic field source 8, 81, 82. The evaporation cathode 2, 21, 22 of the Fig. 2 , which may be, for example, a sputtering cathode 21 or an arc cathode 22, carries on an outer cylindrical surface 210 the target material 200, 201, 202 with which a substrate S is to be coated. Thus, for example, in one and the same process chamber 3, the sputtering cathode 21 can be equipped with a different target material 200, 201 than the arc cathode 22, which comprises a different target material 200, 202, so that, in particular, complicated combination layer systems can be produced. Of course, the sputtering cathode 21 and the arc cathode 22 may also be equipped with the same target material 200, 201, 202.

In bestimmten Fällen ist es sogar möglich, dass verschiedene Bereiche der Zerstäubungskathode 21 und / oder der Lichtbogenkathode 22 mit unterschiedlichen Targetmaterialien 200, 201, 202, so dass durch geeignete Steuerung und / oder Regelung des Lichtbogens unterschiedliche Beschichtungen bzw. Teilbeschichtungen aufgebracht werden können.In certain cases, it is even possible that different areas of the sputtering cathode 21 and / or the arc cathode 22 with different target materials 200, 201, 202, so that by appropriate control and / or regulation of the arc different coatings or partial coatings can be applied.

Zwischen dem hohlen Inneren I und der Zylinderoberfläche 210 ist ein Kühlungsspalt K vorgesehen, durch den ein Kühlmittel, z.B. Kühlwasser im Betriebszustand zirkuliert wird, das die Verdampfungskathode 2, 21, 22 im Betriebszustand kühlt. Das Targetmaterial 200, 201, 202 wird dabei im wesentlichen im Bereich B verdampft, da das von der Magnetfeldquelle 8, 81, 82 erzeugte Magnetfeld den Lichtbogen bzw. die Sputterionen zum Verdampfen des Targetmaterials 200, 201, 202 auf den Bereich B konzentriert.Between the hollow interior I and the cylinder surface 210, a cooling gap K is provided through which a coolant, eg cooling water in the Operating state is circulated, which cools the evaporation cathode 2, 21, 22 in the operating state. The target material 200, 201, 202 is evaporated substantially in the region B, since the magnetic field generated by the magnetic field source 8, 81, 82 concentrates the arc or the sputtering ions for evaporation of the target material 200, 201, 202 on the region B.

Damit das Targetmaterial 200, 201, 202 über die Oberfläche der Verdampfungskathode 2, 21, 22 gleichmässig abgetragen wird, rotiert die Verdampfungskathode 2, 21, 22 im Betriebszustand um die Längsachse A, während die Magnetfeldquelle nicht rotiert, so dass der Bereich B gemäss dieser Rotation in Umfangsrichtung über die Oberfläche der Verdampfungskathode 2, 21, 22 wandert.So that the target material 200, 201, 202 is removed uniformly over the surface of the evaporation cathode 2, 21, 22, the evaporation cathode 2, 21, 22 rotates in the operating state about the longitudinal axis A, while the magnetic field source does not rotate, so that the region B according to this Rotation in the circumferential direction over the surface of the evaporation cathode 2, 21, 22 moves.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verdampfungskathode 2, 21, 22 mit Permanentmagnetfeldquelle 8, 81, 82. Das Beispiel der Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 2 dadurch, dass eine zusätzliche Magnetfeldquelle 8, 81, 82 vorgesehen ist. Dadurch kann z.B. durch geeignete räumliche Anordnung der Verdampfungskathode 2, 21, 22 und / oder durch geeignete Ausrichtung der Magnetfeldquelle 8, 81, 82 in den beiden entsprechenden Bereichen auf der Verdampfungskathode gleichzeitig Targetmaterial 200, 201, 202 verdampft werden. Es ist sogar möglich, dass auf ein und derselben Verdampfungskathode 2, 21, 22 in den beiden verschiedenen Oberflächenbereichen, die den Magnetfeldquellen, 8, 81, 82 zugeordnet sind, verschiedene Targetmaterialien 200, 201, 202 vorgesehen sind, so dass mit ein und derselben Verdampfungskathode gleichzeitig oder nacheinander verschiedene Beschichtungen auf das Substrat S aufgedampft werden können. Fig. 3 shows a second embodiment of an evaporation cathode 2, 21, 22 with permanent magnetic field source 8, 81, 82. The example of Fig. 3 is different from the one of Fig. 2 in that an additional magnetic field source 8, 81, 82 is provided. As a result, for example, by suitable spatial arrangement of the evaporation cathode 2, 21, 22 and / or by suitable alignment of the magnetic field source 8, 81, 82 in the two corresponding areas on the evaporation cathode simultaneously target material 200, 201, 202 are evaporated. It is even possible that different target materials 200, 201, 202 are provided on one and the same evaporation cathode 2, 21, 22 in the two different surface regions which are assigned to the magnetic field sources 8, 81, 82, so that one and the same Evaporation cathode simultaneously or successively different coatings can be vapor-deposited onto the substrate S.

Wie bereits erwähnt, kann die Magnetfeldquelle 8, 81, 82 auch zum Beispiel vorteilhaft durch Elektromagnete 8, 81, 82 realisiert sein. Zwei spezielle Ausführungsbeispiele zeigen die Fig. 4 mit einer zentralen Spulenwicklung 800 und die Fig. 5 mit zwei getrennten äusseren Spulenwicklungen 800. Es versteht sich, dass je nach Ausgestaltung und Anordnung der Spulenwicklungen 800 je nach Anforderung spezielle Magnetfeldgeometrien erzeugt werden können.As already mentioned, the magnetic field source 8, 81, 82 can also be realized, for example, advantageously by electromagnets 8, 81, 82. Two specific embodiments show the Fig. 4 with a central coil winding 800 and the Fig. 5 with two separate outer coil windings 800. It is understood that depending on the configuration and arrangement of the coil windings 800 depending on the requirements special magnetic field geometries can be generated.

Der Fachmann weiss wie entsprechende Anordnungen im speziellen Anwendungsfall zu wählen sind und kennt darüber hinaus noch eine Reihe weitere Magnetfeldkonfigurationen, die von den exemplarischen Beispielen der Fig. 2 bis Fig. 5 verschieden sind.The skilled worker knows how to choose appropriate arrangements in the specific application and also knows a number of other magnetic field configurations, which of the exemplary examples of Fig. 2 to Fig. 5 are different.

Es versteht sich von selbst, dass die zuvor erläuterten und in den Abbildungen schematisch dargestellten Ausführungsvarianten auch vorteilhaft miteinander zu weiteren Ausführungsbeispielen kombinierbar sind, um speziellen Anforderungen in der Praxis gerecht zu werden.It goes without saying that the previously explained and schematically illustrated in the figures embodiment variants can also be advantageously combined with each other to further embodiments to meet specific requirements in practice.

Claims (15)

Verdampfungsvorrichtung zur Verdampfung eines Targetmaterials (200, 201, 202), umfassend eine Prozesskammer (3) zur Errichtung und Aufrechterhaltung einer Gasatmosphäre, die einen Einlass (4) und einen Auslass (5) für ein Prozessgas aufweist, sowie eine Anode (6, 61) und eine als Target (2, 21, 22) ausgestaltete zylinderförmige Verdampfungskathode (2, 21, 22), welche zylinderförmige Verdampfungskathode (2, 21, 22) das Targetmaterial (200, 201, 202) umfasst, wobei weiter eine elektrische Energiequelle (7, 71, 72) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zwischen der Anode (6, 61) und der Kathode (2, 21, 22) vorgesehen ist, so dass mittels der elektrischen Energiequelle (7, 71, 72) das Targetmaterial (200, 201, 202) der zylinderförmigen Kathode (2, 21, 22) in eine Dampfphase überführbar ist, und eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetfeldquelle (8, 81, 82) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prozesskammer (3) gleichzeitig eine zylinderförmige Zerstäubungskathode (2, 21) und eine zylinderförmige Lichtbogenkathode (2, 22) vorgesehen ist.An evaporator for evaporating a target material (200, 201, 202), comprising a process chamber (3) for establishing and maintaining a gas atmosphere having an inlet (4) and an outlet (5) for a process gas, and an anode (6, 61 ) and a cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) configured as a target (2, 21, 22), which cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) comprises the target material (200, 201, 202), wherein an electrical energy source ( 7, 71, 72) for generating an electrical voltage between the anode (6, 61) and the cathode (2, 21, 22) is provided, so that by means of the electrical energy source (7, 71, 72), the target material (200, 201, 202) of the cylindrical cathode (2, 21, 22) is in a vapor phase, and a magnetic field generating magnetic field source (8, 81, 82) is provided, characterized in that in the process chamber (3) at the same time a cylindrical sputtering cathode ( 2, 21) and a cylindrical arc cathode (2, 22) is provided. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zylinderförmige Zerstäubungskathode (2, 21) und / oder die zylinderförmige Lichtbogenkathode (2, 22) um eine Längsachse (A) drehbar ausgestaltet ist.Vaporizing device according to claim 1, wherein the cylindrical sputtering cathode (2, 21) and / or the cylindrical arc cathode (2, 22) is rotatable about a longitudinal axis (A). Verdampfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Magnetfeldquelle (8, 81, 82) in einem Inneren (I) der zylinderförmigen Zerstäubungskathode (2, 21) und / oder in einem Inneren (I) der zylinderförmigen Lichtbogenkathode (2, 22) vorgesehen ist und / oder die zylinderförmige Zerstäubungskathode (2, 21) und / oder die zylinderförmige Lichtbogenkathode (2, 22) relativ zur Magnetfeldquelle (8, 81, 82) drehbar angeordnet ist.Vaporizing device according to one of claims 1 or 2, wherein the magnetic field source (8, 81, 82) in an interior (I) of the cylindrical sputtering cathode (2, 21) and / or in an interior (I) of the cylindrical arc cathode (2, 22). is provided and / or the cylindrical sputtering cathode (2, 21) and / or the cylindrical arc cathode (2, 22) relative to the magnetic field source (8, 81, 82) is rotatably arranged. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldquelle (8, 81, 82) ein Permanentmagnet (8, 81, 82) und / oder ein Elektromagnet (8, 81, 82) ist.Vaporizing device according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field source (8, 81, 82) is a permanent magnet (8, 81, 82) and / or an electromagnet (8, 81, 82). Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Position der Magnetfeldquelle (8, 81, 82) im Inneren (I) der zylinderförmigen Zerstäubungskathode (2, 21) und / oder im Inneren (I) der zylinderförmigen Lichtbogenkathode (2, 22), insbesondere in Bezug auf eine axiale Position und / oder eine radiale Position und / oder in Bezug auf eine Umfangsrichtung einstellbar ist.Vaporizing device according to one of the preceding claims, wherein a position of the magnetic field source (8, 81, 82) inside (I) of the cylindrical sputtering cathode (2, 21) and / or inside (I) of the cylindrical arc cathode (2, 22), in particular is adjustable with respect to an axial position and / or a radial position and / or with respect to a circumferential direction. Verdampfungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Stärke des Magnetfeldes der Magnetfeldquelle (8, 81, 82) steuerbar und / oder regelbar ist, wobei die Magnetfeldquelle (8, 81, 82) bevorzugt derart vorgesehen und angeordnet ist, dass in einem vorgebbaren Bereich der zylinderförmigen Verdampfungskathode (2, 21, 22) eine Magnetfeldstärke des Magnetfeldes veränderbar ist.Evaporation source according to one of the preceding claims, wherein a strength of the magnetic field of the magnetic field source (8, 81, 82) is controllable and / or controllable, wherein the magnetic field source (8, 81, 82) is preferably provided and arranged such that in a predeterminable range the cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) a magnetic field strength of the magnetic field is variable. Verdampfungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Zerstäubungskathode (2, 21) ein balanciertes Magnetron (2, 21) und / oder ein unbalanciertes Magnetron (2, 21) vorgesehen ist.Evaporation source according to one of the preceding claims, wherein as sputtering cathode (2, 21) a balanced magnetron (2, 21) and / or an unbalanced magnetron (2, 21) is provided. Verdampfungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein und dieselbe Verdampfungskathode (2, 21, 22) derart ausgestaltet und in der Prozesskammer angeordnet ist, dass die Verdampfungskathode (2, 21, 22) sowohl als Zerstäubungskathode (2, 21), als auch als Lichtbogenkathode (2, 22) verwendbar ist.Evaporation source according to one of the preceding claims, wherein one and the same evaporation cathode (2, 21, 22) is configured and arranged in the process chamber, that the evaporation cathode (2, 21, 22) both as a sputtering cathode (2, 21), and as Arc cathode (2, 22) is usable. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (S) in einer Prozesskammer (3), in welcher Prozesskammer (3) eine Gasatmosphäre errichtet und aufrechterhalten wird, und in der Prozesskammer (3) eine Anode (6, 61) und eine als Target (2, 21, 22) ausgestaltete zylinderförmige Verdampfungskathode (2, 21, 22) bereitgestellt wird, welche zylinderförmige Verdampfungskathode (2, 21, 22) das Targetmaterial (200, 201, 202) umfasst, und mittels einer elektrischen Energiequelle (7, 71, 72) das Targetmaterial (200, 201, 202) der zylinderförmigen Kathode (2, 21, 22) in eine Dampfphase überführt wird, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetfeldquelle (8, 81, 82) derart in der Prozesskammer (3) vorgesehen wird, dass in einem vorgegebenen Bereich der zylinderförmigen Verdampfungskathode (2, 21, 22) eine Magnetfeldstärke des Magnetfeldes verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prozesskammer gleichzeitig eine zylinderförmige Zerstäubungskathode (2, 21) und eine zylinderförmige Lichtbogenkathode (2, 22) vorgesehen wird, und das Substrat (S) mit einem Lichtbogenverdampfungsverfahren und / oder einem Kathodenzerstäubungsverfahren beschichtet wird.Method for coating a substrate (S) in a process chamber (3), in which process chamber (3) a gas atmosphere is established and maintained, and in the process chamber (3) an anode (6, 61) and a target (2, 21 , 22) configured cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) is provided, which cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) comprises the target material (200, 201, 202), and by means of an electrical energy source (7, 71, 72), the target material (200, 201, 202) of the cylindrical cathode (2, 21, 22 ) is converted into a vapor phase, wherein a magnetic field generating magnetic field source (8, 81, 82) in such a way in the process chamber (3) is provided that in a predetermined region of the cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) changes a magnetic field strength of the magnetic field can be, characterized in that in the process chamber simultaneously a cylindrical sputtering cathode (2, 21) and a cylindrical arc cathode (2, 22) is provided, and the substrate (S) is coated by an arc evaporation method and / or a sputtering process. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zylinderförmige Verdampfungskathode (2, 21, 22) zur gleichmässigen Ausnutzung des Targetmaterials (200, 201, 202) während eines Beschichtungsvorgangs um eine Längsachse (A) rotiert wird.A method according to claim 9, wherein the cylindrical evaporation cathode (2, 21, 22) is rotated about a longitudinal axis (A) during a coating operation to uniformly utilize the target material (200, 201, 202). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei eine Position der Magnetfeldquelle (8, 81, 82) in einem Inneren (I) der zylinderförmigen Zerstäubungskathode (2, 21) und / oder in einem Inneren (I) der zylinderförmigen Lichtbogenkathode (2, 22), insbesondere in Bezug auf eine axiale Position und / oder eine radiale Position und / oder in Bezug auf eine Umfangsrichtung eingestellt wird.Method according to one of claims 9 or 10, wherein a position of the magnetic field source (8, 81, 82) in an interior (I) of the cylindrical sputtering cathode (2, 21) and / or in an interior (I) of the cylindrical arc cathode (2, 22), in particular with respect to an axial position and / or a radial position and / or in relation to a circumferential direction is set. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Stärke des Magnetfeldes der Magnetfeldquelle (8, 81, 82) gesteuert und / oder geregelt wird.Method according to one of claims 9 to 11, wherein a strength of the magnetic field of the magnetic field source (8, 81, 82) is controlled and / or regulated. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei ein und dieselbe Verdampfungskathode (2, 21, 22) als Zerstäubungskathode (2, 21) und als Lichtbogenkathode (2, 22) verwendet wird.Method according to one of claims 9 to 12, wherein one and the same evaporation cathode (2, 21, 22) is used as a sputtering cathode (2, 21) and as an arc cathode (2, 22). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei als Zerstäubungskathode (2, 21) ein balanciertes Magnetron (2, 21) und / oder ein unbalanciertes Magnetron (2, 21) verwendet wird.Method according to one of claims 9 to 13, wherein a balanced magnetron (2, 21) and / or an unbalanced magnetron (2, 21) is used as the sputtering cathode (2, 21). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Beschichtungsverfahren ein DC-Sputterverfahren und / oder ein RF-Sputterverfahren und / oder ein gepulstes Sputterverfahren und / oder ein High-Power-Sputterverfahren und / oder ein DC-Lichtbogenverdampfungsverfahren und / oder ein gepulstes Lichtbogenverdampfungsverfahren ist.Method according to one of Claims 9 to 14, wherein the coating method is a DC sputtering method and / or an RF sputtering method and / or a pulsed sputtering method and / or a high-power sputtering method and / or a DC arc evaporation method and / or a pulsed Arc evaporation method is.

Images